Hiçbir düşünce bana şundan daha temel görünmüyor: Boşluk, boş değildir. En şiddetli fizik olaylarının oluştuğu yerdir.
John Wheeler
Fizik için boşluk sanılandan farklıdır. Kuantum kuramı, boşluğun tam boşluk olmadığını göstermiştir. Boşluk, kaynaşan bir durumdur, çok dinamiktir, edimsiz (virtuel) parçacıklarla doludur. Çok şiddetli olayların oluştuğu bir yerdir. Boşluktan doğmuş bir parçacık çifti gözlenemez, fakat onların yığınsal etkisi gözlenebilir.
Stephane DELIGEORGES
Şubat 1987 [*]
Boşluk, boş değildir. Bu sözün, bir paradoks ile ilgisi yoktur. Boşluğun en derinlerinde bile sürgit birşeyler vardır. En iyi boşlukta bile, kimi varlıklar saklıdır. İçinde gaz, en küçük bir molekül, en yalın bir atom ya da en küçük kuark (bir kuantum parçacığı) bile bulunmayan bir uzay bölgesi düşünelim. Bu en boş sanılan uzay bile tam bir boşluk değildir; bir etkinlikler bölgesidir, alanlar vardır. Boşluk titreşir, dalgalanır. Boşluğun bu dalgalanmaları enerji demektir. Yüzyılımızın iki büyük fizikçisi, şaşırtıcı bir hesaplama yapmışlardır. Richard Feynman ve John Wheeler [pS1] bir elektrik ampulünün içindeki boşluğu incelemişlerdir. Böyle bir boşluğun enerjisi, gezegenimizin tüm okyanuslarını kaynatmak için yeterlidir. Yoksa bu sihir midir?
Bu boşluk enerjisinin çok küçük bir bölümünü bile çıkarabilmek ve kullanabilmek özellikle çok ilginç olacaktır. ABD’de Hughes Laboratuvarı’nda çalışan fizikçi Robert Forward bu konuda deneyler yapmaktadır.
Bir başka görüş açısından, günümüzün kozmoloji kuramlarında da fizikçiler, yerinde kuramsal nedenlerle, Evren’in başlangıcında boşluk enerjisinin oynamış olabileceği role başvurmaktadırlar.
Böylece, bir kez daha, pek alışılmamış olan kuantum kuramına dönmek gerekmiştir. Kuantum evreninde, örneğin elektronlar, dalga-parçacık niteliği gösteren değişik nesnelerdir. Aynı anda hem dalga hem parçacıktırlar; her iki görünümün olabildiğince çelişik olan tüm özelliklerini sergilerler. Kuantum nesnelerinin, kendilerini klasik fiziğinkilerden temel olarak ayıran çok değişik yapıları vardır. Aynı şekilde kuantum kuramında, boşluğa da değişik bir yapı tanımak gerekir.
Çok eskiden, ilkçağ’da, boşluk ve onun varlığı üzerine iki karşıt düşünce akımı vardı. Démocrite gibi atomcular için, gerçeğin temeli, bir yandan bölünmez parçacıklar olan ve farklı düzenlenimlerle nesneleri oluşturan atomlara, öte yandan da boşluğa dayanıyordu. Buna karşıt olarak da, Aristo’ya ve anlaşılması güç fizik ve metafizik uslamlamalara göre boşluk yoktu.
Bu son anlayış, XVII. yüzyıla dek sürecekti. 1644’den başlayarak düşünceler değişti. 1644’de, Galile’in öğrencisi olan Toriçelli termometreyi buldu ve ayrıca ünlü deneyini yaptı. Bir ucu kapalı bir cam boru aldı ve civa ile doldurdu. Sonra bu boruyu ters çevirerek, yine civa ile dolu olan bir kaba batırdı. Borudaki civa düzeyi alçaldı ve kaptaki civa düzeyinden yukarıda bir yerde kararlı duruma ulaştı. Borunun üst ucunda bir boşluk, yani içinde madde bulunmayan boş bir uzay bölgesi oluştu. Blaise Pascal şu soruyu soruyordu: “Borunun yukarısındaki görünüşte boş olan uzayda, burayı dolduran fakat duyu organları ile algılanıp görülemeyen bir madde bulunamaz mı?”
Daha sonra Otto de Guericke lastik pompasını buldu; bir kürenin iki yarısını birbiri üzerine kapatarak, oluşan kürenin içinde boşluk oluşturdu. Deneyini 1654’de diéte de Ratisbonne’da sergiledi. Küreyi karşılıklı iki yanından çeken on altı at, onu açmayı başaramadılar. Öyleyse boşluk vardı. XIX. yüzyılın sonuna doğru ise, Aristo ilkesini yeniden canlandıran bir başka boşluk kavramı ortaya çıktı. Gerçek bir boşluk elde etmek için, boşaltılacak kapalı yerdeki tüm maddeyi ve ayrıca da gazı dışarı çıkarmak gerektiği bellidir. Acaba bu yeterli midir? Yanıt kesin değildir ve fizik bu düşünceye de karşı çıkabilir. Bunun için, bir düşünce deneyi tasarlamak uygundur; öyle ki bu deneyde araç gereçler idealdir ve deney koşulları kusursuzdur. Önce, içinde tam olarak ayarlanmış bir pistonun kayabildiği bir silindir olması gerekir. Her şey ideal olduğundan piston, bir engel ile karşılaşmadan kayar ve kusursuz olarak hiçbir şey sızdırmaz. Başlangıçta, piston silindirin dibine dayanmıştır. Piston çekilince, silindirin dibinde oluşan uzay bir mutlak boşluk olmalıdır; piston hemen yeniden geri itilirse, başlangıç konumunu yeniden bulmalıdır. Fakat piston yeterince uzun süre çekilmiş ise, yeniden silindirin dibine yerleşemeyecektir. İçeriye hava sızmış değildir, fakat boşluğun içinde bir şeyler üretilmiştir ve şimdi pistonun ilk konumuna ulaşmasına engel olmaktadır. Neden? Isıl ışıma nedeniyle. Fizikçiler, pistonun çekildiği sırada, çeperlerden bir ısıl ışımanın yayıldığını ve boşluğu doldurduğunu göstermiş olur. Öyleyse piston geri itildiği zaman, bu ışıma sıkışır. Bu basınç, bir gazın oluşturduğuna benzer bir kuvvet uygular. Böylece piston, ışımanın sıcaklığını ve basıncını artırmış olur ve pistonun ilk konumuna ulaşması için, bu ışımanın yeniden silindirin çeperlerinde dağılmasını beklemek gerekir. Bu ışımanın kaynağı ısıl olduğu, dolayısı ile sıcaklığa bağlı olduğu için, silindiri soğutmak gerekir. Mutlak sıfır sıcaklıkta, boşluğu dolduran tüm ışıma sönecektir. Buradaki ısıl ışıma, elektromıknatısal ışımadan başka bir şey değildir çeperleri oluşturan atomların elektronlarının ısıl hareketlerinden yayınlanır. Boşluğa ulaşmak için tek olanak, sistemi önemli ölçüde soğutmaktır. Öyleyse, buraya dek İncelenen durumlarda, boşluk soğutma ile sağlanır ve mutlak boşluk elde edilebilir.
KUANTUM EVRENİNDE BOŞLUK
Şimdiye dek, klasik fizik dünyasında idik. Şimdi kuantum evrenine bir sıçrama yapmalıyız. Bu evrende, boşluk doludur. Bu söz ilk bakışta, temel bir nedenle, bir paradoks gibidir; fizik de, astrofizik gibi, boşluğun varlığını kabul eder: Evren büyük bir boşluktur ve içindeki madde bir istisnadır. Yıldızlararası uzay hemen hemen boştur. Bize içine sızılması çok güç görünen katımadde de boşluktan oluşmuştur. Atomsal ölçekte, çekirdekler ve elektronlar arasındaki uzay çok büyüktür. Madde boşluktan yapılmıştır ve onu oluşturan kütleler çok küçük uzay bölgelerinde yoğunlaşmıştır. Bu düşünceye (her yerin boşluk olması ve maddenin evrende son derece seyrek dağılmış olmasına) karşıt olarak, boşluğun dolu olduğu düşüncesini de getirmek gerekir. John Wheeler bir yazısında, “Hiçbir düşünce bana şundan daha temel görünmüyor: Boşluk, boş değildir. En şiddetli fizik olaylarının oluştuğu yerdir” demektedir. Bunlar yukarıda da söylediğimiz gibi, sonsuz küçük boyutlar evrenindeki düzenlenimleri ve süreçleri inceleyen kuantum kuramının konularıdır. Bu olaylar nasıl oluşabilmektedir?
Yukarıda, uzayı mutlak sıfır sıcaklık sınırlarına dek soğutarak, tüm ısıl ışınımı yok edebileceğimizi ve mutlak boşluğa ulaşabileceğimizi görmüştük. Fakat, kuantum kuramına göre, bu sıcaklıkta bile, boşlukta bir kalıntı (boşaltılamayan ve kuşkusuz madde de olmayan bir şey) bulunacaktır. Bu en son kalıntı, elektro-mıknatısal alanlardan oluşmuştur. Boşlukta, mutlak sıfır ile ilgili olarak, fizikçilerin sıfır nokta enerjisi dedikleri bir kavram vardır. Mutlak sıfır sıcaklıkta, boşluk hiç durmadan dalgalanır, kımıldayan bir dalga yüzeyi gibi kaynaşır. Bu dalgacıklar, hiç durmadan parçacıklar yaratan dalgalanmaların bir görüntüsüdür. Bu parçacıklar ise, birbirlerini çok çabuk olarak yok ederler.
Boşluğun bu tuhaf etkinliğini anlamak için, kuantum elektrodinamiğinin birkaç kuramsal temelini tanıtmak gerekir. Bu temellerin ilki, bir eşitsizliğe dayanan Heisenberg belirsizlik ilkesidir. Bu ilke, bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda ölçmenin olanaksız olduğunu gösterir. Konum ve hareketin ölçümü üzerindeki bir belirsizlik önlenemez. Ayrıca fiziğin büyük bir ilkesi olan, enerjisinin korunumu yasasını da göz önüne almak gerekir. Hangisi olursa olsun, her etkileşmede bir enerji denkleşmesi hesabı vardır. İki bilya çarpıştıkları zaman, çarpışmadan önceki ve sonraki toplam enerjiler aynı olmalıdır; başka bir deyimle, giriş ve çıkış enerjileri kusursuz olarak denklenmelidir. Bu ilke, tüm fiziğin en kesin ilkelerinden biridir ve kuşkusuz, mikroskobik evrenin parçacıkları arasındaki etkileşmelere de ayrıcalıksız olarak uygulanır. Yalnız, kuantum kuramınca incelenen boyutlar düzeyinde Heisenberg eşitsizliklerini gözönüne almak gerekir. Bu eşitsizliklere göre, örneğin bir elektronun enerjisi ölçülürse ve bu ölçüm çok kısa fakat belirli bir zaman alırsa, enerji ölçümündeki belirsizlik ölçümün süresi ile ters oranlı olur. Bu, mantıksal bakımdan, çok kısa süreler için, enerji ölçümündeki belirsizliğin çok önemli olabileceği anlamına gelir; ve bu sonsuz küçük süre içinde, bu enerjinin son derece büyük olabileceğini düşünmek için hiçbir engel yoktur. Böylece, enerji korunumu yasasının gerektirdiği çok kesin denkleşme hesabı, belirsizlik ilkesi nedeniyle bozulmuş olur. Sonuç olarak, boşluktan, kısa yaşamlı parçacıklar yaratılabilir. Bunların yaşamları öyle kısadır ki, kendileri yüksek enerjili olurlar. Örneğin, bir proton ve bunun çevresinde hiç durmadan dolanan bir elektrondan oluşan bir sistem düşünelim; buradaki elektron da, boşluktan yaratılmış parçacıklarla sarılmış olsun. Bunlar, proton ve elektron arasında bulunan elektro-mıknatısal alanların dalgalanmasından yaratılan bir parçacıklar bulutu oluştururlar. Fizikçiler, bu alanların gelişigüzel olarak dalgalandıklarını ve edimsiz denen parçacıklar ürettiklerini açıklamaktadırlar. Bunlar, edimsiz olduklarından, proton ve elektron gibi gerçek parçacıklardan farklıdırlar. Bunun dışında, boşluktan gelen ve zorunlu olarak yine oraya dönen bu edimsiz parçacıklar, kısa yaşamları süresince, bilinen parçacıklar gibi gerçektirler. Fizikte, bu edimsiz parçacıkların çiftler halinde üretildiklerini düşünmek gerekir. Bu ise, yine enerji korunumu türünden bir başka büyük ilke, momentumun korunumu ilkesi nedeniyledir. Elektron ve pozitron böyle bir çifttir; bu çiftlerin her biri, yine belirsizlik ilkesi nedeniyle gözlenemez. Yaratılışlarından yok oluşlarına dek gittikleri uzaklık ve hızları bir başka Heisenberg eşitsizliğini sağlarlar.
Boşluktan çift yaratılmasının enerji korunumunu bozduğunu, fakat iyi bir hesaplayıcı olan doğanın buradan ışık elde ettiğini belirtelim. Bu süreç ile boşluktan ödünç alınan enerjinin istendiğince çok olabileceğini özellikle yineleyelim. Ödünç alınan enerji ne kadar çoksa, parçacığın yok oluşunda ödenecek olan borcun süresi de o ölçüde kısa olacaktır.
Böylece, herhangi bir uzay bölgesi en küçük bir parçacığın bile bulunmadığı ölçüde boştur; bu boşlukta, yalnızca gelişigüzel dalgalanmalar vardır. Bu dalgalanmalar ise, boşluktan sürekli olarak edimsiz parçacıklar üretirler ve bunlar oluştukları ancak gözlenebildikten hemen sonra yiterler.
Bu açıklamalardan sonra, her şeyin kaynağının boşluk olduğunu söyleyebiliriz; boşluktaki alanların dalgalanması, bilinen tüm parçacıkların, yüksek enerji fiziğindeki elektrondan (en hafif) en bilinmeyene (en ağır) dek tüm parçacıkların oluşmasını sağlayabilir. Öyleyse boşluk, eylemsiz ve özelliksiz boş bir uzay olarak değil, tam tersine, enerji titreşkeni olarak tanımlanabilir. Dolayısıyla, John Wheeler’in açıkladığı gibi, boşlukta yer değiştiren bir elektronu, her türden edimsiz parçacığın oluşturduğu bir çorba içinde yüzüyor ve onların sürekli saldırısına uğruyor olarak düşünebiliriz.
Şimdi, haklı olarak, boşluğun böyle bir etkinliğinin herhangi bir kanıtlamasının olup olmadığı sorulabilir. Kuramın, edimsiz parçacıkları öngördüğü kesindir; fakat, bunların varlığı gerçekten gözlenebilmiş midir? Yanıt, evettir.
Boşluğun böyle bir etkinliği olduğunu gösteren ilk gözlemsel gerçeği, 1940’lı yılların sonuna doğru, Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir saptamıştır. Edimsiz bir parçacık çifti gözlenemese bile, onların yığınsal etkisi gözlenebilir. Casimir etkisini gösteren düzenek şöyledir: İçi boş bir kapalı kaba, iki metal yaprak yerleştirilir ve sistem soğutulur. Sıfır nokta enerjisine ulaşmadan önce, ısıl ışıma iki yaprağı birbirlerine yaklaştırmaya çalışır; sıfır nokta değerinde ise, elektro-mıknatısal ışıma kuvveti de yaprakları birbirlerine doğru iter. Böylece, boşluk enerjisi bir basınca yol açmaktadır. Bu en küçük fazlalık basınç, 1958’de bir başka Hollandalı fizikçi M. Sparnaay tarafından ölçülmüştür.
Boşluk enerjisinin ikinci ve görkemli örneği, Lamb kayması adı ile tanınır. Yukarıda gördüğümüz gibi, elektronu bir atomun çekirdeğine bağlayan elektro-mıknatısal alan, edimsiz parçacıklar çorbasından bir elektron-pozitron parçacık çifti yaratabilir. Bu edimsiz parçacıkların yaratılıp yok edilmesi, fizikçilerin boşluğun kutuplanması dedikleri olaya neden olur. Bu kutuplanmanın etkisi, elektronun çekirdek çevresindeki yörüngesinin hafifçe değişmesi biçimindedir. Willis Lamb, bu küçük yer değiştirmeyi olağanüstü bir duyarlıkla ölçebilmiştir. Bu ölçüm ona Nobel ödülü kazandırmıştır. Böylece, günümüz kuantum elektrodinamiği hesaplamalarında, boşluğun enerjisinden ileri gelen Lamb kaymaları da gözönüne alınır. Şimdi, bu kaymanın ölçümü, tüm fiziğin en önemli ölçümlerinden biridir.
Kuşkusuz, boşluğun enerji kaynağı olarak kullanılması sorunu çözümlenmiş değildir. Çekirdek kaynaşmasının denetlenmesinde karşılaşılan güçlük bilindiğinden, boşluktan enerji elde edilmesi düşüncesinin, fizikçilerin dudaklarında kuşkucu bir gülümsemeye neden olacağı sanılmaktadır. Yine de, Robert Forward’ın, Casimir etkisinden yola çıkarak, boşluktan elektrik enerjisi çıkarma ile ilgili çalışmaları tarihsel bir adım olarak kalacaktır.
Görseller:
pS1. Feynman ve Wheeler ile ilgili: